TiO2基水凝膠在光催化中的應用：最新進展和未來前景

王德松，劉 昊，張森林，肖周榮，谷建民,3，王繼東,3

(1.燕山大學 環境與化學工程學院，河北 秦皇島 066004;2.燕山大學 河北省應用化學重點實驗室，河北 秦皇島 066004;3.燕山大學 亞穩態材料科學與技術國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

如今，能源緊缺和環境污染已成為阻礙人類社會發展并且亟需解決的重要問題[1-2]。過去幾十年里，抗生素的濫用導致耐藥細菌向水生系統中大規模傳播，將在未來對人類社會造成毀滅性的打擊[3]。因此，我們迫切需要高效且綠色的方法來產生清潔能源、獲得純水以及控制致病菌在水中的傳播。光催化技術已成為化學合成、環境技術和醫學等學科中非常普遍的技術[4-5]。光催化技術的應用以及該行業的發展，可以追溯到20世紀70年代，當時藤島和本田發現了二氧化鈦(TiO2)電極可以實現水裂解反應，從而開啟了光催化研究的大門[6]。

TiO2作為半導體催化劑，具有量子效率低、電子-空穴對容易復合和帶隙寬等缺點[7-8]。同時，光催化劑的回收再利用是限制光催化劑發展的一個重要因素，易造成第二次污染[9]。活性炭、活性氧化鋁、水凝膠和聚合物復合材料等被廣泛應用于水凈化中的吸附劑，其中水凝膠材料被認為是最有前途的吸附劑[10-11]。大多數水凝膠具有導電性、熱穩定性，使其成為應用于水凈化、油水分離、仿生材料、電和電化學材料的有效溶液，其中3D水凝膠結構具有較大的比表面積，可以提供高性能的光催化作用[12-14]。此外，由于在交互的開放框架內的多重反射，它具有更有效的光捕獲能力,并且3D水凝膠結構可以顯著抑制光催化劑的聚集或堆積，從而暴露出更多的表面催化活性位點。為了提高水凝膠的性能，研究人員對水凝膠進行了大量的修飾，其中將無機組分加入聚合物網絡中是最常用的方法，可以降低產品成本，簡化制備過程。水凝膠不僅可以作為吸附劑，還可以作為催化劑固定化的基質[15-16]。

水凝膠可作為基質來固定光降解污染物，如甲基橙、亞甲基藍、偶氮、蒽醌和四-硝基苯酚。有些水凝膠不僅可以作為固定催化劑的基質，而且還可以先吸附底物，然后充分利用吸附與催化之間的協同作用。Lucic等人采用殼聚糖水凝膠浸入TiO2懸濁液中進行光降解染料，發現增加TiO2的用量可以提高水凝膠對染料的吸附性能[17]。

本文基于上述TiO2結合水凝膠材料在光催化過程中體現出的優勢，介紹了一系列TiO2基水凝膠的結構特征及合成方法。進一步地，總結了其復合物在有機物降解，水裂解析氫和滅菌三個方面的光催化應用及機理。最后，闡述了TiO2基水凝膠材料在實際應用和研究中存在的挑戰及相應的解決方案。

1 TiO2基水凝膠的結構特征及合成

TiO2半導體作為光催化劑，具有高活性、高化學穩定性、低成本、無毒性、高輻射穩定性等優點，是最有前途和應用最廣泛的半導體光催化劑之一[18-19]。TiO2在光催化領域的應用存在著諸多障礙，包括光生電子空穴對的快速復合和太陽能利用效率低等，這些都將限制該半導體的進一步發展[20]。將TiO2引入到一系列功能性水凝膠中制備的TiO2基水凝膠具有3D網絡結構，有望推動該材料在光催化領域的進一步應用。首先，3D網狀結構水凝膠具有較大的比表面積，可以表現出較強的吸附富集污染物的能力，并暴露出更多的活性位點，加速表面反應[21]。其次，3D網絡結構為光生載流子傳輸創造了方便的通道，并且通過相互連接的開放框架內的多次反射，可以最大限度地利用入射光子[22-23]。最后，為了增加反應的相對比表面積，通常需要將光催化劑的尺寸減小到納米級，但這不利于光催化劑的回收，而將納米尺寸的光催化劑負載到大的3D網絡體系中可以有效解決催化劑的再回收問題[24]。因此，制備具有3D網絡結構的TiO2基水凝膠光催化劑不僅有利于提高納米材料的光催化活性效率，而且還具有無需分離的特性[25-26]。目前，在功能性水凝膠中引入TiO2有兩種合成策略，一種是作為填充劑，另一種是作為交聯劑。

1.1 作為填充劑

對于大部分TiO2基水凝膠，TiO2以納米粒子的形式通過摻雜的策略引入到水凝膠體系中。TiO2納米顆粒作為填料主要被引入到石墨烯基水凝膠、聚合物基水凝膠和多組分復合水凝膠三個體系中。

1.1.1 石墨烯基水凝膠

石墨烯衍生物的凝膠化是一種很有前途的策略，可以將單個石墨烯化合物、TiO2和其他材料結合在一起，得到3D多孔結構，同時保持其獨特的片狀結構[27]。Zhang等人報道了一種通過水熱法制備的新型多功能TiO2基石墨烯復合水凝膠(TGH)[23]。在水熱反應過程中，石墨烯納米片和TiO2納米顆粒自組裝成三維(3D)互穿網絡，其中尺寸均勻的球形TiO2納米顆粒被密集地錨定在石墨烯納米片上(圖1(a))。得到的TGH呈現出清晰且相互連接的3D多孔網絡，其互連孔隙達到微米級，尺寸均勻的球形TiO2納米顆粒密集地固定在石墨烯納米薄片上。此外，納米顆粒均勻地負載在石墨烯載體上，在保持其水凝膠3D多孔結構的同時，維持石墨烯本身的片狀結構。

圖1 不同樣品的TEM圖Fig.1 TEM images of different samples

然而，上述方法制備的石墨烯/TiO2水凝膠限制了TiO2顆粒的固定，且不足以暴露催化活性位點。Fan等人通過將合成的溶液轉移到2×2.5 cm2(1 mm厚)的無菌模具中，并在90 ℃下保持1 h,成功地制備了具有3D多孔結構的TiO2-石墨烯水凝膠復合材料(NF-TGH)[28]。通過透射電鏡進一步觀察到納米TiO2顆粒均勻的嵌入到石墨烯層的褶皺中，由于兩者具有交叉多孔的網絡結構，NF-TGH可以固定附加的納米顆粒，并且比薄膜材料暴露更多的催化位點(圖1(b))。

1.1.2 聚合物基水凝膠

由于不同的單體可以用于形成多種聚合物基水凝膠，因此它們具有比石墨烯基水凝膠更多的功能。TiO2納米顆粒常被嵌入到一系列聚合物基水凝膠中以提高水凝膠的比表面積。Jiang等人合成了一種具有3D網絡納米結構的聚苯胺(PANI)水凝膠，TiO2納米顆粒位于PANI水凝膠的3D基體上[26]。

由圖2(a)可知，TiO2納米顆粒均勻沉積在珊瑚狀樹枝狀聚苯胺納米纖維上，得到的聚苯胺/TiO2-10%復合水凝膠的比表面積為48.39 m2/g，均高于單獨的TiO2和聚苯胺。進一步地，TiO2作為填料時，在水凝膠內能夠通過氫鍵形成第二層分散網絡以提高體系的機械性能，有利于水凝膠內部的應力損失，顯著改善了水凝膠的力學性能[31-32]。此外，當TiO2納米粒子嵌入到相同的基于聚合物的水凝膠中時，不同的方法制備的材料將展現出不同特點。Meng等人采用水熱合成的方法，通過在聚丙烯酸基質中原位生長銳鈦礦型TiO2納米顆粒，制備得到了聚丙烯酸/TiO2納米復合材料[33]。相比之下，Pardo等人通過熱聚合法制備了PAA/TiO2納米復合材料，其中偶氮二異丁腈(AIBN)用作自由基引發劑[34]。水熱法合成的TiO2-PAA水凝膠粉末的表面是粗糙的，而通過自由基聚合在水溶液中合成的TiO2-PAA水凝膠粉末表面是平滑的(圖2(b))。

圖2 兩種TiO2基復合水凝膠的SEM圖Fig.2 SEM images of two TiO2-based composite hydrogels

1.1.3 多組分復合水凝膠

由于水凝膠的特殊合成方法和獨特的3D網絡結構，它們可以與不同的聚合物單體和某些功能分子結合形成多功能復合水凝膠，從而拓寬其應用領域，開發不同的水凝膠材料。在2018年，Cui等人通過采用雜化工藝和水浴法，成功合成了具有3D網狀結構的還原氧化石墨烯-聚苯胺/TiO2復合材料(rGH-PANI/TiO2)[35]。然而，通過該策略得到的三元復合水凝膠的穩定性不夠，機械性能也不夠強。

為了提高交聯程度和共生穩定性，在室溫下以50 kGy的劑量輻射水凝膠，然后樣品在離子水中浸泡48 h，冷凍干燥24 h(圖3)。通過這種方法，拉伸強度和斷裂伸長率得到極大優化，分別為0.94 MPa和378%，表現出良好的力學性能[36]。為了提高PVA/PAAc/TiO2復合納米纖維的光電性能，碳納米管(CNTs)被用作添加劑[37]，將TiO2和CNTs固定在PVA/PAA水凝膠中，其復合水凝膠作為靜電紡絲納米纖維，便于廢水處理后的回收，而TiO2顆粒主要分布在納米纖維表面，并在靜電紡絲纖維中均勻分散。TiO2顆粒的均勻分散有利于暴露其更多的光催化活性位點，促進復合材料整體的光催化效率。圖4顯示TiO2顆粒和CNTs包埋在電紡絲纖維中，雖然有一些TiO2聚集，但它們都很好地分散在電紡絲纖維中。

圖3 3D結構的光活性PAV/PANI/TiO2復合水凝膠的制備方案Fig.3 Scheme of the photoactive PAV/PANI/TiO2composite hydrogel with 3D structures

圖4 PVA/PAAc/TiO2/CNTs復合納米纖維的SEM(左)和TEM(右)圖Fig.4 SEM (left) and TEM (right) micrographs of PVA/PAAc/TiO2/CNTs composite nanofibers

1.2 作為交聯劑

由于TiO2具有優良的光催化性能，在水中被紫外光激發可產生羥基?；谶@一特性，可以將TiO2作為交聯劑引入水凝膠網絡體系，賦予了TiO2基水凝膠新的性能。接下來，分別以TiO2納米顆粒和TiO2納米片為交聯劑，全面介紹TiO2基水凝膠的結構特點和合成策略。

1.2.1 TiO2納米粒子

TiO2納米粒子通過機械混合和靜電相互作用被水凝膠包裹[38-39]。在聚合過程中，TiO2納米粒子可以作為交聯劑使用。Garcia-Astrain等人[40]發現具有官能團的TiO2納米粒子，使其與呋喃修飾的明膠反應，隨后，該功能性納米粒子與硫酸軟骨素一起用作明膠水凝膠的交聯劑。Gao等人[41]進一步在TiO2的輔助下，通過一鍋原位光誘導聚合制備了一系列疏水締合(HyA)水凝膠，TiO2納米粒子既可以作為光引發劑，又可以作為物理交聯點。添加TiO2后的TiO2基水凝膠的抗拉強度比未添加TiO2的水凝膠高30倍。同時，Yue等人[42]將TiO2納米粒子負載在2，2，6，6-四甲基哌啶-e-1-氧基(TEMPO)氧化甲殼素納米纖維(TOCNs)表面，并將其進一步加入聚丙烯酰胺(PAM)基質中，制備了一種新型光催化水凝膠。加入TiO2后(占水凝膠質量10%)，TiO2-TOCN-PAM10水凝膠的單軸抗壓強度和抗拉強度分別提高了6.35倍和3.70倍(圖5)。

圖5 水凝膠的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of hydrogels

圖6 TiO2納米顆粒的光觸發催化機理示意圖Fig.6 A schematic to show the related light-triggered catalyzing mechanism of the TiO2 nanoparticles

1.2.2 TiO2納米片

最近，二維納米片已經引起了人們的廣泛關注[47-48]。受到Hargauchi等人[49]使用乙烯基單體自由基聚合制備具有超強機械韌性和納米復合水凝膠工作的啟發，且基于單層TiO2納米片的成功制備，Liu等人[50]首先開發了光可調水凝膠，組成的聚合物網絡可以容納每個交聯點的光催化鈦納米片，并且每當暴露于光下時就激活凝膠，產生羥基自由基。在此，TiO2水凝膠具有雙重作用：1)從水中產生羥自由基進行逐步聚合；2)動力學交聯產生的聚合鏈，形成3D聚合網絡，將水分子包裹在其中。基于上述功能特征，交聯納米片的光催化活性使得水凝膠與其他物體共軛并異質性地結合。受這項工作的啟發，Yang等人[51]使用了一個簡單的一步合成路線合成了TiNs-PAAm水凝膠，其中納米復合水凝膠的內部結構包含了非晶態聚合物和隨機分布的單個三酸鹽納米顆粒，具備優異的可協調性和力學性能。

不同的納米顆粒形態(TiO2納米粒子，TiO2納米片)具有不同的與單一或載體的親和力及本身交聯能力的差異性。在力學性質方面，TiO2納米粒子可以交聯更豐富的凝膠網絡，以較快的速率促進自由基聚合以提高復合水凝膠的自愈合性能。在機械強度方面，由于每個TiO2納米片的表面積較高，其特殊的拉伸形態與凝膠的相互作用較多，從而導致較低的斷裂應變。

2 TiO2基水凝膠在光催化中的應用

2.1 污染物的光催化降解2.1.1 降解機理

含有有機污染物的廢水直接排放到環境中，將對人體和生態系統造成極大危害[52-54]。光催化技術已被認為是太陽能轉化和消除污染物最有希望的技術之一。在尋找具備優異性能的光誘導光催化劑的過程中，TiO2作為一種傳統的半導體催化劑，已顯示出對有機物良好的降解性能[55-57]。一般情況下，光催化降解是通過產生羥基自由基進行的，由于羥基自由基強的氧化能力，氧化電位為2.28 V(vs. NHE, pH = 7)，具體反應如下:

(1)

(2)

(3)

h++ H2O → ·OH + H+

(4)

h++ OH→ ·OH

(5)

·OH + 有機組分 → 中間體 →產物。

(6)

方程式(1)中，催化劑的價帶(VB)上的電子吸收一個等于或大于帶隙能量的光子，使其躍遷到導帶(CB)上進而產生電子-空穴對[58-60]。方程式(2)和(3)中將溶解氧還原為超氧自由基陰離子，在導帶處產生的電子形成過氧化氫。價帶上的空穴通過吸附水或氫氧根離子，經過氧化作用產生羥基自由基(方程式(4)和(5))。在催化劑的表面或附近，所產生的羥基自由基降解有機化合物生成相關中間體和最終產物(方程式(6))[61]。

2.1.2 廢水處理的應用

由于傳統TiO2材料一般僅受紫外光激發，且粒徑過小容易對水體造成二次污染，使其在光催化凈水領域的應用受到了很大的限制。為了提高廢水的去除效率，利用TiO2基水凝膠光催化降解有機污染物已被證明是一種有效的方法。在以往的研究中，TiO2基水凝膠已被用于光催化降解廢水中的各種有毒有機污染物(表1)。

表1 使用TiO2基水凝膠光催化降解污染物的條件及性能Tab.1. Conditions and performance of photocatalytic degradation of pollutants using TiO2-based hydrogels

與其他類型的水凝膠相比，石墨烯基水凝膠可通過氧化石墨烯納米片的自組裝而簡便合成[70]。石墨烯基水凝膠光催化劑表現出高效的活性，是由于其強大的吸附能力和光生載流子在石墨烯表面的快速轉移[71-72]。若將TiO2包埋在石墨烯基水凝膠中，制備出具有3D網狀結構的TiO2-石墨烯水凝膠(TGH)，TiO2納米顆粒會與石墨烯形成協同效應[62]。一方面，TGH具有相互連接的開放式骨架結構和較大的比表面積，大大提高了對有機污染物的吸附能力。另一方面，在此過程中，具有較強氧化性的空穴和羥基自由基為主要活性基團，促進了有機污染物在TGH上的深部礦化?；谙嗤膮f同效應，Zhang等人[63]制備的TiO2-rGH能使低濃度的雙酚A(BPA)(20 mg/L)在5 h內被完全降解。此外，基于相同的協同機制，可以通過將TiO2NPs嵌入一個導電有機聚合物水凝膠中?；贐PA的降解，Piao等人[73]將TiO2固定在聚乙二醇二丙烯酸酯(TiO2@PEGDA)中，從圖7(a)中可清楚看到，原始PEGDA水凝膠表面是非常光滑的，但當加入質量分數10%的TiO2時，其復合水凝膠的表面變得粗糙(圖7(b))，為BPA進入水凝膠網絡內部與活性位點結合提供了更高的比表面積。Jiang等人[26]通過苯胺單體聚合合成了具有3D網絡納米結構的聚苯胺(PANI)水凝膠，并將TiO2納米顆粒置于PANI水凝膠的3D基體上。由于吸附富集與光催化降解發生在同一活性位點上，減小了污染物的擴散距離，實現了吸附與光催化的協同作用，從而提高了光催化反應的去除效率。基于TiO2基水凝膠對污染物吸附和光催化的協同作用，一種新型無分離的聚(N, N′-二甲基丙烯酰胺)-二氧化鈦/硫化銅(PDMAA-TiO2/CuS)復合水凝膠光催化劑被應用于抗生素磺胺吡啶的降解[74]。該TiO2基水凝膠對磺胺吡啶的吸附量在前3 h迅速上升，16 h后達到吸附平衡(圖8)，且其降解效率高達93.51%。

圖7 兩種不同的PEGDA水凝膠的SEM圖Fig.7 SEM images of two different PEGDA hydrogels

圖8 使用PDMAA-TiO2/CuS水凝膠在300 W可見光下對磺胺吡啶的光降解率和在黑暗下的吸附過程Fig.8 The photodegradation rate of sulfaclozine using PDMAA-TiO2/CuS hydrogel with 300 W visible light and the adsorption process under darkness

2.2 光催化析氫2.2.1 析氫機理

眾所周知，氫氣是目前為止最清潔的能源，光催化水裂解是獲得這種清潔能源的有效方法。要實現光催化水裂解析氫，光催化劑的導帶電位要比H+/H2電勢負[27]。水裂解析氫的方程式如下[75]：

2H++ 2e-→ H2(g)

(7)

ΔE0=0 V vs. NHE at pH=0。

(8)

近年來，影響光催化水裂解析氫效率的重要因素包括相對比表面積、吸光能力和電荷分離能力。

2.2.2 析氫的應用

基于對具有3D網絡結構的水凝膠的普遍研究和應用，我們發現，水凝膠的3D互通框架的結構有以下幾點優勢：1)利于液體/氣體進入和擴散的理想孔隙；2)優異的電荷傳遞能力；3)理想的開放結構可用于與其他功能性納米材料集成。因此，將光催化劑構建到水凝膠中，不僅可以使該光催化劑得到方便的分離與回收，而且光催化劑的引入將使整個復合材料具有更高的比表面積、孔隙率和優越的導電性[76]。這些優點將極大地促進TiO2基水凝膠在光催化析氫領域的應用。

用于光催化析氫的TiO2基水凝膠，通常以石墨烯為基質。原因可以概括為以下三點：1)石墨烯會限制TiO2光生電子-空穴對的復合；2)石墨烯基質將提供吸附和催化活性位點；3)石墨烯可縮小TiO2的禁帶寬度，并在析氫反應(HER)中充當助催化劑[77]。特別地，石墨烯能夠縮小TiO2禁帶寬度的主要原因為：具有不成對π電子的氧化石墨烯的碳酸鹽結構片段與鈦原子鍵合在TiO2表面，這種未成對的π電子與鈦原子之間的相互作用會導致石墨烯-TiO2的帶邊移動和帶隙顯著減小。Virgil等人[78]首次制備出TiO2基石墨烯水凝膠，TiO2與GO質量比為5∶1制備的TiO2基石墨烯水凝膠析氫量最高達66.5%(體積分數)。為了提高TiO2基水凝膠對太陽能的利用效率，Gao等人[24]于2013年開發了具有可見光響應的納米復合石墨烯水凝膠(NGH)。由圖9可知，將TiO2納米棒和Au納米顆粒摻雜到具有互聯網絡孔的3D石墨烯水凝膠中，光催化析氫活性顯著提高(～242 μmol/h/g)。在可見光照射下，Au納米顆粒的電子被注入到TiO2導帶中，導致Au納米顆粒產生空穴，TiO2導帶中產生光激發電子，所有受激電子依次從TiO2導帶轉移到石墨烯活性位點上，在溶液中產生質子，生成H2[79-82]。

圖9 不同樣品的光催化析氫研究Fig.9 Photocatalytic H2 production studies of the various samples

上述光催化析氫均在特定的溶液中實現。而Xu等人[31]基于綠色化學原則，實現了在廢水中進行光催化析氫反應，實現了一種“變廢為寶”的策略。通過原位硫化，將吸附的重金屬離子轉化成帶隙窄的金屬硫化物半導體，同時與加入的TiO2@瓊脂水凝膠(TiO2@Agar)形成異質結，這使得整個體系內光催化生成H2的活性得到顯著提高(圖10)。TiO2@Agar+CdS在可見光照射下可以明顯地表現出穩定的析氫速率，而在相同條件下TiO2@Agar基本檢測不到的H2的生成，這說明生成的CdS納米顆粒將TiO2@Agar+CdS的光催化活性有效地延伸到了可見光區。此外，在全光譜AM 1.5 G光照下，TiO2@Agar+CdS與TiO2@Agar和TiO2@Agar-Cd相比，其H2產率得到了顯著的提高(分別為1.5 mmol/h，0.9 mmol/h和0.6 mmol/h)，進一步證實了CdS促進了材料的光催化活性。

圖10 以廢水為導向的“變廢為寶”策略示意圖Fig.10 Schematic diagram of the wastewater-oriented “trash-to-treasure” strategy

2.3 光催化滅菌

抗菌納米材料通常以細粉的形式分散在水中形成懸浮液來進行消毒。在可見光下，銀金屬摻雜的TiO2對革蘭氏陽性菌(GPB)和革蘭氏陰性菌(GNB)的生長均有明顯的抑制作用[90]。對于這些懸浮液，最大的挑戰之一是將納米材料從處理過的水中快速分離出來，并回收重復使用[91]。在可見光和近紅外光照射下，鋅摻雜的TiO2薄膜的抗菌活性明顯優于單獨的TiO2薄膜[92]。此外，在各種抗菌材料中，抗菌水凝膠因其具有多種生物功能和廣泛的適應性，在治療細菌感染性疾病方面是一類很有前景的替代品[93]。Amit等人[94]首次在原位剝離的鈦酸鹽納米片上負載銀納米顆粒，通過光催化技術可實現對硝基酚(4-NP)的快速還原、有機染料的脫色以及抑制微生物生長。為了更好地將TiO2固定到水凝膠的3D網絡結構上，Zang等人制作了一種分層多孔TiO2基水凝膠納米復合材料[95]。該雙網絡水凝膠的厚度約為100 nm，且呈現超疏水的性質(圖11)?；谏鲜鼋Y構特征，該TiO2基水凝膠能夠完全排斥油漬和血小板等物質(圖12(a))。Wang等人[96]選擇本身就具有防污性能的丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)材料來構建新型的聚丙烯酸-交聯-聚丙烯酰胺/TiO2((PAA-co-PAM)/TiO2)復合水凝膠，其滅菌率達100%(圖12(b))。

圖11 多孔NiTi/水凝膠納米復合材料的制備過程Fig.11 The fabrication process of the porous NiTi/hydrogels nanocomposites

圖12 TiO2基水凝膠的滅菌測試Fig.12 Disinfection test of the TiO2-based hydrogel

4 總結與展望

在過去的幾十年里，環境和能源危機嚴重威脅著我們的地球，需要更有效、更高效的解決策略。TiO2作為一種傳統的半導體光催化劑，與水凝膠相結合將進一步拓展其在能源和環境領域的應用。本文綜述了近年來TiO2基水凝膠光催化劑的結構特點、合成方法及其在廢水凈化、水裂解和滅菌等方面的研究進展。總的來說，TiO2基水凝膠具有穩定的3D多孔骨架、較高的介孔率、高的比表面積、適當的孔體積和較高的親水性，使水分子能夠穿透并與表面活性位點接觸，從而提高光催化活性。然而，仍然存在一些缺點和障礙，限制了TiO2基水凝膠的大規模生產及其光催化活性。目前仍有待解決的問題及相應的解決策略可歸納為以下四個方面：

1) 迫切需要對TiO2基水凝膠的電子結構進行修飾，以提高其光吸收能力，減少光生載流子的復合，優化其光學性能和光催化性能。摻雜、插層和負載單金屬或多金屬有望增強TiO2基水凝膠對可見光的吸收和電荷分離，提供更多的吸附和催化位點，縮小半導體的帶隙寬度；對材料缺陷態的填補可進一步提高其復合材料的光催化析氫性能和滅菌效果。

2) 這些多組分TiO2基水凝膠材料合成的反應機理和合成工藝有待進一步的研究和構建。目前，制備多組分TiO2基水凝膠主要采用水熱法或光聚合法；然而，這些方法也有一些缺點，比如由于單個組分在水凝膠框架內的分散性較差，易聚合。因此，需要開發簡便、快速、可靠、有效的制備多組分TiO2基水凝膠的方法。如利用小分子自組裝和電子束輻射等方法，使TiO2納米顆粒均勻分布在凝膠的3D網絡基質中，更好地結合了水凝膠高選擇性的吸附性能和原位光催化降解污染物的能力。

3) TiO2作為交聯劑的應用還比較少，主要原因是其制備的水凝膠機械強度較弱，光催化效率較低以及表面的交聯位點較少。因此，有必要開發新的合成策略或交聯體系，而剝離的鈦酸鹽納米片在本質上是親水的，使它們能夠在水溶液中很好地分散，并且具有高比表面積以提供足夠的交聯點來形成水凝膠。

4) 由于TiO2基水凝膠具有3D多孔網絡結構的特點，要了解反應物和產物分子在多孔連接框架內的穿透、擴散、接觸以及產生H2的過程，需要對其光催化反應機理進行進一步的探究。通過實驗和理論模型的構建來設計和改進TiO2基水凝膠的光催化性能是非常重要和有趣的。從熱力學和動力學的角度進行原位觀察、表征和理論計算，將為利用TiO2基水凝膠進行光催化反應提供深入的外推和進一步優化。